[发明专利]一种缺陷态乱层堆叠石墨烯组装电池材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种缺陷态乱层堆叠石墨烯组装电池材料及其制备方法，此材料具有完全乱层的堆叠结构，以及局域的缺陷态以及内部空间可控的硅填充体积。其中，缺陷态结构一方面提供电容，另一方面提供电解质进出通道，提高库伦效率；乱层堆叠结构，便于石墨烯层间插层，提高插层比例，进而提高电容和充放电速度；纳米硅颗粒则完全充当电容载体。将此三种结构应用于电池材料，三种结构相辅相成，极大的提高电池容量，因此可用于制备高质量容量电池。

技术领域

本发明涉及一种缺陷态乱层堆叠石墨烯组装电池材料及其制备方法。

背景技术

锂电池的容量问题一直是锂电领域的首要问题，一直未能得到有效的解决。

近年来高容量硅材料被发现，其应用也同时被持续关注。但是硅本身充放电过程中会发生体积膨胀，损伤材料组装结构，进而影响电池性能。目前的硅纳米粒子包裹方法都需要聚合物辅助，其最终结果为中空球体，密度相对较低，从而导致体积电容的下降；为此急需一种简单的密堆积硅粒子包裹方法，且充放电膨胀过程不会对导电材料组装结构造成伤害。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种缺陷态乱层堆叠石墨烯组装电池材料及其制备方法。此结构结合了石墨烯组装材料的缺陷、乱层结构以及弹性，为石墨烯高容量锂电材料的应用奠定了基础。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种缺陷态乱层堆叠石墨烯组装电池材料及其制备方法，其结构为褶皱态石墨烯球包裹纳米硅颗粒；其中，石墨烯厚度介于20-120原子层之间。石墨烯的缺陷程度为I_D/I_G介于0.2-0.04之间；石墨烯层间堆叠为完全乱序结构。

本发明材料具有完全乱层的堆叠结构，以及局域的缺陷态以及内部空间可控的硅填充体积。其中，缺陷态结构一方面提供电容，另一方面提供电解质进出通道，提高库伦效率；乱层堆叠结构，便于石墨烯层间插层，提高插层比例，进而提高电容和充放电速度；纳米硅颗粒则完全充当电容载体。将此三种结构应用于电池材料，三种结构相辅相成，极大的提高电池容量，因此可用于制备高质量容量电池。

一种缺陷态乱层堆叠石墨烯组装电池材料制备方法，该方法为：

(1)将氧化石墨烯置于质量分数为30-50％双氧水中60-80℃加热2-12h，得到具有丰富空洞结构的高缺陷态氧化石墨烯溶液，其中高缺陷态氧化石墨烯溶液中，双氧水质量分数为10％-20％。

(2)将二氧化硅纳米粒子和高缺陷态氧化石墨烯溶液均匀混合，其中，混合的溶液中，高缺陷态氧化石墨烯浓度为0.1mg/ml以下，二氧化硅纳米粒子和高缺陷态氧化石墨烯质量比为1：6-1：20。喷雾形成氧化石墨烯包裹二氧化硅结构，经化学还原，得到还原的氧化石墨烯微球包裹二氧化硅结构。

(3)以30℃/min以下的升温速率，在氮气保护下将还原的氧化石墨烯微球包裹二氧化硅结构升温至1000℃，并保持1-4h；通入5v/v％的氢气，并稳步升温到1400摄氏度，维持2-6h，将二氧化硅纳米粒子完全还原成硅纳米粒子。

(4)将步骤3得到的石墨烯包裹硅纳米粒子材料置于微波设备中，2000-2300℃极速加热，升温速度500-1000℃/min，并维持1-30s，将多孔结构演变成相对密堆积的褶皱形态。

进一步地，所述化学还原条件为HI作为还原剂，60-120摄氏度处理1-4h。

进一步地，所述二氧化硅纳米粒子通过含二氧化硅纳米粒子的溶液与高缺陷态氧化石墨烯溶液混合，含二氧化硅纳米粒子的溶液中，二氧化硅纳米粒子浓度低于0.1ml/g。

本发明的有益效果在于：

其一、乱层结构的存在可以将石墨烯组装材料的电容提高一倍左右。